陳凱云， 曹 麗， 肖勝兵， 孟祥林

(1.黑龍江科技大學(xué)， 哈爾濱 150022； 2.黑龍江科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 哈爾濱 150022)

0 引 言

燃燒室作為燃?xì)廨啓C(jī)三大部件之一，位于壓氣機(jī)與渦輪機(jī)之間，燃燒室工作的可靠性直接決定了燃?xì)廨啓C(jī)工作的可靠性，被譽(yù)為燃?xì)廨啓C(jī)的“心臟”[1]。火焰筒是燃燒室的核心部件，主要由旋流器、聯(lián)焰孔、主燃孔、冷卻孔等組成?；鹧嫱矊儆诘湫偷谋”诩?，是燃?xì)廨啓C(jī)中承受溫度最高的部件，并且需要具有一定的抗氧化和抗腐蝕能力，GH3536鎳基高溫合金以其良好的抗氧化性、耐腐蝕性以及抗蠕變強(qiáng)度成為了目前制造燃?xì)廨啓C(jī)火焰筒及其它高溫部件的主要材料[2]?；鹧嫱矊儆诒”陂_孔結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)加工主要包括磨削、焊接以及鉆孔等工序，傳統(tǒng)的加工方式制作周期長(zhǎng)，生產(chǎn)成本高，加工效率低，技術(shù)難度大，并且易造成高溫合金的部分浪費(fèi)[3]。近年來(lái)，隨著制造技術(shù)的發(fā)展，增材制造技術(shù)已經(jīng)逐漸取代傳統(tǒng)成形方法，成為制造火焰筒的主要方式。增材制造技術(shù)具有制造成本低，材料損耗小、生產(chǎn)周期短等優(yōu)勢(shì)[4]，且能夠有效減少裝配，尤其適合火焰筒等小批量生產(chǎn)情況。

激光選區(qū)熔化(Selective laser melting，SLM)作為2000年左右出現(xiàn)的新型增材制造技術(shù)[5]，與傳統(tǒng)制造技術(shù)不同的是，它是利用高能激光束逐層掃描金屬粉末，使金屬粉末在短時(shí)間內(nèi)熔化、凝固，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)一體化的增材成形技術(shù)。盡管SLM技術(shù)在成形復(fù)雜精密零件方面具有很大的優(yōu)勢(shì)，但由于SLM急熱急冷的成形特點(diǎn)，成形件中普遍存在孔隙、球化等缺陷，同時(shí)由于局部加熱不均勻，成形過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的溫度梯度，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致零部件出現(xiàn)裂紋、翹曲等[6-7]。因此，研究SLM成形過(guò)程中溫度場(chǎng)的分布情況具有十分重要的意義。

SLM成形過(guò)程中掃描速度快，瞬時(shí)溫度高，很難用實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)得，通常利用有限元軟件對(duì)成形過(guò)程中的溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬，分析不同工藝參數(shù)對(duì)成形質(zhì)量的影響。王俊飛等[8]通過(guò)成形實(shí)驗(yàn)，研究了不同工藝參數(shù)對(duì)薄壁件變形的影響。趙鑫等[9]通過(guò)研究鋁合金薄壁件SLM成形后的力學(xué)性能，進(jìn)而對(duì)鋁合金薄壁件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。Mishr等[10]通過(guò)改變不同工藝參數(shù)，研究了激光功率和掃描速度對(duì)熔池形貌以及孔隙率的影響。Ahmed等[11]通過(guò)改變掃描速度和金屬粉末的熱物性參數(shù)，研究了316L不銹鋼的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的變化。以上研究多集中在薄壁件成形后的力學(xué)性能以及變形量的分析，而對(duì)薄壁件成形過(guò)程中各掃描層的溫度場(chǎng)以及熔池特征的研究相對(duì)較少。

筆者利用workbench建立了SLM有限元模型，探究了不同激光功率和掃描速度對(duì)SLM成形GH3536合金薄壁件各掃描層溫度場(chǎng)和熔池尺寸的影響，通過(guò)分析溫度場(chǎng)和熔池尺寸的變化情況，可為火焰筒SLM成形過(guò)程中的孔隙、裂紋等缺陷提供理論支持。

1 有限元建模理論

1.1 有限元模型

為了研究SLM成形過(guò)程溫度場(chǎng)的變化情況，文中建立了單道5層的有限元模型，掃描層采用GH3536合金，尺寸為6 mm×0.18 mm×0.15 mm；基板采用結(jié)構(gòu)鋼，在SLM成形過(guò)程中存在著粉末層與基板之間的熱傳導(dǎo)過(guò)程，因此在建立模型時(shí)將掃描層與基板設(shè)置成一個(gè)部件，使網(wǎng)格劃分時(shí)掃描層與基板的公共部分共節(jié)點(diǎn)。在網(wǎng)格劃分中，六面體單元在計(jì)算精度、生成的單元數(shù)量和抗畸變程度，以及單步迭代收斂速度等方面較四面體單元具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但其劃分單元較困難，且花費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)[12]。綜合考慮到計(jì)算精度和時(shí)間消耗，將粉末層網(wǎng)格劃分為0.03 mm×0.03 mm×0.03 mm的六面體單元，基板則采用較為粗糙的四面體單元自由劃分，有限元模型網(wǎng)格劃分如圖1所示，掃描路徑如圖2。

圖1 有限元網(wǎng)格劃分Fig. 1 Finite element meshing

圖2 掃描方式Fig. 2 Scanning mode

1.2 SLM物理描述與邊界條件

當(dāng)激光熱源作用于粉末時(shí)，熔化的金屬液體通過(guò)熱傳導(dǎo)與粉末層和基板進(jìn)行傳熱，粉末層和基板與腔內(nèi)環(huán)境發(fā)生熱對(duì)流、熱輻射，多維度的能量傳遞和消耗，造成了溫度場(chǎng)的快速變化[13]。SLM成形過(guò)程屬于典型的非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)過(guò)程，其方程[11]可表示為

(1)

式中：ρ——材料的密度，kg/m3；

c——材料的比熱容,J/(kg·℃)；

t——模擬加工時(shí)間，s；

Q——單位體積熱生成率，J/m3；

K——材料的熱傳導(dǎo)率，W/(m·℃)。

在進(jìn)行成形前，需要對(duì)基板進(jìn)行預(yù)熱，因此初始條件可表示為

θ(x、y、z,t)|t=0=θ0，

(2)

式中，θ0——預(yù)熱溫度，℃。

激光選區(qū)熔化成形過(guò)程中邊界條件考慮為模型粉末層區(qū)域與周圍環(huán)境之間存在對(duì)流換熱，忽略熱輻射對(duì)模擬結(jié)果的影響，表示為

(3)

式中:α——熱對(duì)流系數(shù)，W/(m2·℃)；

θ——模型換熱面表面溫度，℃。

1.3 材料成分及熱物性參數(shù)

文中使用的GH3536合金化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 GH3536合金的化學(xué)成分Table 1 Chemical compositions of GH3536 alloy %

在SLM成形過(guò)程中，隨著激光熱源的移動(dòng)，粉末層的溫度隨之升高，此時(shí)材料的熱物性參數(shù)會(huì)隨著溫度的升高發(fā)生明顯變化。在激光選區(qū)熔化成形熱過(guò)程計(jì)算中，需要定義的熱物性參數(shù)有熱導(dǎo)率、材料密度、比熱容等。

粉末層的有效導(dǎo)熱系數(shù)可以看作粉末孔隙率的函數(shù)[11,14]，即

kp=kb(1-φ)，

(4)

(5)

式中：kp——粉末層的有效導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；

kb——基板的有效導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；

φ——孔隙率；

ρp——粉末層的松裝密度，kg/m3；

ρb——基板的密度，kg/m3。

GH3536合金的熱導(dǎo)率λ和比熱容c見(jiàn)表2。模型邊界條件相關(guān)設(shè)置見(jiàn)表3。

表2 GH3536的熱物性參數(shù)[2]Table 2 Thermal physical parameters of GH3536[2]

表3 模型邊界條件相關(guān)設(shè)置Table 3 Related Settings of model boundary conditions

1.4 熱源模型的選取

設(shè)定激光沿x正向移動(dòng)，且激光的能量分布符合高斯熱源模型。在SLM成形過(guò)程中，一般情況下，激光能量主要是以熱流密度作用于粉層表面，故將激光能量分布等效于高斯面熱源[11]，表示為

(6)

(7)

式中，A——材料對(duì)激光的吸收率，A=0.64[15]；

P——激光功率，W；

R——激光光斑半徑，μm；

v——激光移動(dòng)速度，mm/s；

t——時(shí)間，s。

Yin等[16]認(rèn)為,當(dāng)激光作用在粉層表面上時(shí)，經(jīng)過(guò)多次的反射作用后，也會(huì)被深層的粉末吸收，即以生熱率作用于粉層內(nèi)部，因此，將激光能量分布等效為高斯體熱源，可表示為

(8)

Z=z-z0，

(9)

式中，δ——激光對(duì)金屬粉末的穿透深度，μm。

為了比較高斯面熱源和高斯體熱源對(duì)模擬結(jié)果的影響，使用相同工藝參數(shù)：激光功率P=150 W、掃描速度v=600 mm/s以及鋪粉層厚h=0.03 mm，對(duì)GH3536合金SLM成形過(guò)程進(jìn)行單道掃描溫度場(chǎng)模擬分析。圖3和圖4分別為使用高斯面熱源模型和高斯體熱源模型作用于掃描道中點(diǎn)的熔池截面溫度場(chǎng)云圖，圖5為SLM成形過(guò)程溫度場(chǎng)隨時(shí)間的變化圖。

圖3 采用面熱源模擬溫度場(chǎng)云圖Fig. 3 Temperature field cloud diagram simulated by surface heat source

圖4 采用體熱源模擬溫度場(chǎng)云圖 Fig. 4 Cloud diagram of temperature field simulated by body heat source

圖5 SLM成形過(guò)程中溫度隨時(shí)間的變化Fig. 5 Temperature variation with time during SLM forming process

從圖4中可以看出，使用面熱源模擬的掃描道中點(diǎn)最高溫度為6 874.9 ℃，熔池深度為 36 μm；體熱源模擬的最高溫度為2 897.8 ℃，熔池深度為42.7 μm，使用面熱源模擬得到的溫度遠(yuǎn)高于使用體熱源模擬得到的溫度，但形成的熔池深度卻小于體熱源模擬得到的熔池深度，這體現(xiàn)了面熱源模型的能量分布特點(diǎn)是主要集中分布于粉層表面，而體熱源模型的能量分布則考慮了在粉末中的穿透作用。當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，粉末層會(huì)在瞬間被熔化，同時(shí)基體材料表面會(huì)由于溫度過(guò)高發(fā)生氣化現(xiàn)象，在基體上形成“鑰匙孔”，此時(shí)，激光不僅僅作用于粉末層表面，還可以直接作用到小孔底部，激光中很大一部分能量被用來(lái)熔化基體了，不是理想的成形方式[17]。故文中使用高斯體熱源模型對(duì)SLM熔化溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬分析。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 溫度場(chǎng)分布

為了分析在不同激光功率與掃描速度下成形過(guò)程中溫度場(chǎng)的變化規(guī)律，根據(jù)文獻(xiàn)[18]與成形設(shè)備的基本工藝參數(shù)選取此次數(shù)值模擬的工藝參數(shù)。模擬使用的工藝參數(shù)如表4所示。

表4 模擬使用的工藝參數(shù)Table 4 Process parameters used in simulation

為了分析激光熱源移動(dòng)至不同掃描層的特征，選擇熱源處于較穩(wěn)定位置時(shí)分析其特征，文中取各掃描層的中點(diǎn)為研究對(duì)象。圖6顯示了當(dāng)激光功率P=150 W、掃描速度v=600 mm/s時(shí)，激光移動(dòng)至各掃描層中點(diǎn)位置時(shí)的熔池峰值溫度以及熔池尺寸的變化。

圖6 各層中點(diǎn)位置峰值溫度與熔池尺寸的變化Fig. 6 Variation of peak temperature and molten pool size at midpoint of each layer

隨著掃描層數(shù)的增加，掃描層中點(diǎn)的峰值溫度分別為2 763.4、2 819.4、2 914.5、2 923.5和2 959.8 ℃，增長(zhǎng)了7.1%；熔池長(zhǎng)度分別為124.7、155.6、164.9、168.4和173.1 μm，增長(zhǎng)了 38.9%；熔池寬度分別為83.5、87.9、88.9、88.9和90.1 μm，增長(zhǎng)了7.9%；熔池深度分別為40.9、43.5、45.9、46.5和47.1 μm，增長(zhǎng)了15.2%。從圖6中可以看出，隨著掃描層數(shù)的增加，熔池的峰值溫度和熔池尺寸在不同程度上均有所增加，這是因?yàn)樵诙鄬訏呙璧倪^(guò)程中，上一層已成形層對(duì)下一層的粉末層具有預(yù)熱效果，在熱累積效應(yīng)下熔池的峰值溫度以及熔池尺寸隨著掃描層數(shù)的增加而增加，但在1～2層變化較大，而后逐漸趨于平穩(wěn)。圖7為模擬過(guò)程中第1掃描層中點(diǎn)的溫度變化曲線。

圖7 第1層中點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化 Fig. 7 Time variation of midpoint temperature in first layer

從圖7中可以看出，當(dāng)激光熱源掃描至第1層中點(diǎn)時(shí)，該點(diǎn)的溫度迅速上升至2 763.4 ℃，激光熱源遠(yuǎn)離該點(diǎn)時(shí)，溫度迅速下降，該過(guò)程符合SLM急熱急冷的成形特點(diǎn)，當(dāng)激光掃描至第2層中點(diǎn)位置時(shí)，由于熱傳導(dǎo)效應(yīng)，第1層中點(diǎn)處的溫度迅速上升至2 204.5 ℃，超過(guò)了GH3536合金的熔點(diǎn)溫度，說(shuō)明在此工藝參數(shù)下，相鄰層間能夠?qū)崿F(xiàn)較好的熔合，當(dāng)激光掃描至后面幾層相同位置時(shí)，第1層掃描道中點(diǎn)溫度有相似的變化規(guī)律，但由于冷卻時(shí)間長(zhǎng)以及激光的穿透深度有限，第1層中點(diǎn)的溫度雖然有所上升但上升的趨勢(shì)逐漸減小。

2.2 熔池行為

在SLM成形過(guò)程中，影響成形質(zhì)量的因素有很多，其中激光功率和掃描速度對(duì)成形質(zhì)量的影響較大，通過(guò)研究不同激光功率和掃描速度對(duì)SLM成形過(guò)程溫度場(chǎng)的影響，以此來(lái)選擇合適的工藝參數(shù)范圍，從而保證成形質(zhì)量。圖8顯示了不同激光功率和掃描速度下，激光熱源在第1掃描層中點(diǎn)位置時(shí)的溫度變化。

圖8 不同工藝參數(shù)下第1掃描道中點(diǎn)溫度變化曲線Fig. 8 Temperature change curves of midpoint of first scanning passage with different process parameters

從圖8中可以看出，當(dāng)激光功率增加或掃描速度減小時(shí)，熔池的峰值溫度均會(huì)增加，這是因?yàn)楫?dāng)激光功率增加或掃描速度減小時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)熱源傳遞給粉末層的激光能量就會(huì)變多，且掃描速度對(duì)熔池峰值溫度的影響更大。從圖8中還可以觀察到，在這些工藝參數(shù)下，熔池的峰值溫度明顯超過(guò)了GH3536合金的熔點(diǎn)溫度，說(shuō)明在這些工藝參數(shù)下金屬粉末得到了充分的熔化。根據(jù)熔池溫度曲線與粉末熔化溫度線相交，可得到熔池存在的時(shí)間，當(dāng)粉末吸收激光能量過(guò)低時(shí)，金屬熔液存在時(shí)間就更短，熔池內(nèi)的氣體不能及時(shí)逸出，從而形成孔隙缺陷。

2.3 熔池分析

在SLM成形過(guò)程中，熔池尺寸是衡量成形質(zhì)量的重要指標(biāo)，通過(guò)測(cè)量熔池深度判斷成形過(guò)程中掃描層之間是否能夠?qū)崿F(xiàn)很好的熔合，當(dāng)熔池深度小于鋪粉層厚時(shí)，掃描層之間不能實(shí)現(xiàn)較好的熔合，容易出現(xiàn)未熔合孔隙缺陷。圖9為不同工藝參數(shù)仿真計(jì)算中熔池尺寸的變化情況。

圖9 不同工藝參數(shù)對(duì)熔池尺寸的影響Fig. 9 Influence of different process parameters on bath size

圖9a是當(dāng)掃描速度v=600 mm/s時(shí)，不同激光功率下第1層掃描道中點(diǎn)的熔池尺寸變化。從圖9a中可以看出，隨著激光功率的增加，熔池尺寸均有所增加，當(dāng)激光功率從100 W增加到125 W，熔池長(zhǎng)度、寬度和深度分別從78.2、60.8和28.3 μm增加到了143.0、91.1和45.4 μm，分別增加了82.9%、50.0%和60.4%，由此反映出，隨著激光功率的增加，熔池長(zhǎng)度的增長(zhǎng)速度最快，熔池寬度的增長(zhǎng)速度次之，熔池深度的增長(zhǎng)速度最慢。同時(shí)，在這些工藝參數(shù)下，熔池深度均超過(guò)鋪粉層厚30 μm，表明層與層之間發(fā)生了較好的熔合。圖9b為激光功率P=150 W時(shí)，不同掃描速度下第1層中點(diǎn)位置熔池尺寸的變化情況?？梢钥闯?，隨著掃描速度的增加，熔池長(zhǎng)度、寬度和深度分別從173.8、119.7和69.8 μm下降至79.8、43.5和31.0 μm，分別下降了54.1%、63.7%和55.6%，由此可見(jiàn)，掃描速度對(duì)熔池寬度的影響最大。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了分析在不同工藝參數(shù)下激光選區(qū)熔化GH3536合金試樣形貌，設(shè)計(jì)與表4相對(duì)應(yīng)的成形實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)的成形設(shè)備為黑龍江科技大學(xué)自研的SLM成形設(shè)備，設(shè)備的最大成形尺寸為φ150 mm×120 mm，其他基本參數(shù)如表5所示。

表5 設(shè)備的主要參數(shù)Table 5 Main parameters of equipment

3.1 熱源模型的驗(yàn)證

選擇P=150 W、v=600 mm/s、h=0.03 mm時(shí)的工藝參數(shù)對(duì)模型進(jìn)行校核。比較熔池形貌，左邊右邊分別對(duì)應(yīng)為實(shí)驗(yàn)與模擬熔深截面形貌，超過(guò)GH3536熔點(diǎn)(1 295 ℃)部分設(shè)置為灰色。如圖10所示，模擬熔深形貌與實(shí)驗(yàn)熔深形貌基本吻合。

圖10 實(shí)驗(yàn)和模擬熔池對(duì)比 Fig. 10 Comparison between experimental and simulated molten pools

圖11為實(shí)驗(yàn)熔寬和模擬熔寬的對(duì)比。由圖11可以看出，實(shí)驗(yàn)熔池寬度與模擬熔池寬度的變化趨勢(shì)一致：熔池寬度隨著激光功率的增加而增加，隨著掃描速度的增加而減小，當(dāng)P=175 W、v=600 mm/s時(shí)，實(shí)驗(yàn)熔寬約為107.86 μm，模擬熔寬為111.7 μm，此時(shí)實(shí)驗(yàn)熔寬與模擬熔寬相對(duì)誤差最大，約為3.6%。綜上，說(shuō)明熱源模型的選取是可信的。

圖11 實(shí)驗(yàn)熔寬與模擬熔寬的對(duì)比 Fig. 11 Comparison between experimental and simulated melting widths

3.2 試樣的形貌分析

試樣表面成形質(zhì)量與激光功率、掃描速度密切 相關(guān)，當(dāng)激光功率過(guò)低、掃描速度過(guò)高時(shí)，作用于粉末上的激光能量較低，粉末不能完全熔化，熔池內(nèi)部黏度較大、流動(dòng)性差，易使熔池出現(xiàn)不連續(xù)現(xiàn)象。如圖12所示，當(dāng)P=100 W、v=1 100 mm/s時(shí)，用虛線描繪出粉末在此工藝參數(shù)下的熔化情況，可以觀察到，試樣表面熔道出現(xiàn)了不連續(xù)現(xiàn)象。

圖12 P=100 W、v=1 100 mm/s的掃描道形貌Fig. 12 P=100 W，v=1 100 mm/s scanning trace morphology

為了更清楚的觀察出不同掃描速度和激光功率對(duì)SLM成形試樣顯微組織的影響，將試樣進(jìn)行研磨、拋光和腐蝕之后，在超景深顯微鏡下觀察試樣的截面形貌。圖 13和圖14分別顯示了不同掃描速度和激光功率下試樣的截面形貌。從圖中能夠很清楚的觀察到，試樣截面形貌呈典型的魚鱗形狀，這樣的結(jié)構(gòu)有利于各掃描層之間的相互結(jié)合。

圖13 不同激光功率下試樣的截面形貌Fig. 13 Section morphology of samples under different laser powers

圖14 不同掃描速度下試樣的截面形貌Fig. 14 Section morphology of samples at different scanning speeds

圖13顯示了當(dāng)掃描速度v=350 mm/s不變，不同激光功率下的試樣截面形貌，當(dāng)激光功率P=125 W和P=175 W時(shí)，試樣出現(xiàn)了較多孔隙以及裂紋缺陷。圖14為激光功率P=150 W恒定不變時(shí)，不同掃描速度下熔池的截面形貌，在這組工藝參數(shù)中，當(dāng)掃描速度為v=350 mm/s和v=1 100 mm/s時(shí)，試樣表面形貌出現(xiàn)較大尺寸的孔隙和裂紋等缺陷。從工藝參數(shù)來(lái)看，當(dāng)掃描速度v=350 mm/s時(shí)，線能量密度(P/v)的比值較其它幾組工藝參數(shù)線能量密度較大，當(dāng)線能量密度過(guò)高時(shí)，雖然會(huì)使粉末熔化得更加充分，但持續(xù)高溫會(huì)導(dǎo)致鎳、鐵、鉻等較低熔點(diǎn)的元素發(fā)生氣化現(xiàn)象，產(chǎn)生的氣泡導(dǎo)致金屬熔液液面不穩(wěn)定，在凝固過(guò)程中，當(dāng)氣泡來(lái)不及逸出時(shí)，就形成了不規(guī)則孔隙、裂紋等缺陷。

通過(guò)圖13和圖14可以觀察出，缺陷的多少與掃描速度的高低或激光功率的大小不成遞增或遞減的關(guān)系，只有當(dāng)掃描速度、激光功率在一個(gè)比較合適的范圍內(nèi)，成形試樣出現(xiàn)缺陷的幾率就會(huì)減小。當(dāng)激光功率為P=150 W、掃描速度為600～850 mm/s時(shí)，試樣截面形貌較好，孔隙和裂紋等缺陷很少。

4 結(jié) 論

(1)采用高斯體熱源模型模擬的熔池形貌與實(shí)驗(yàn)的熔池形貌基本吻合，很好地反映出了SLM成形過(guò)程中溫度場(chǎng)的變化情況。

(2)當(dāng)保持激光功率不變時(shí)，隨著掃描速度的增加，熔池尺寸呈下降趨勢(shì)且為非線性變化。

(3)對(duì)于GH3536合金，當(dāng)激光功率P=150 W、掃描速度v為600～850 mm/s時(shí)，孔隙、裂紋等缺陷較少，試樣表面形貌較好。